DE102011008187B4 - Process for the production of fuel and synthesis gas - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Syntheserohgas aus Brennstaub, der aus Kohle oder Brennstoffen, die über hydrothermale Karbonisierung oder andere Art aus Biomasse oder organischen Abfällen hergestellt wurden, durch partielle Oxidation mit Luft, technischem Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid oder Gemischen davon in einer Flammenreaktion, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 25% des für die vollständige Verbrennung des Brennstaubes erforderlichen molekularem Sauerstoffs als Vergasungsmittel in wenigstens zwei Teilströmen unter Zumischung von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid der chemischen Reaktion mit Brennstaub zu Vergasungsrohgas zugeführt werden, wobei mindestens ein Teilstrom mit Brennstaub beladen wird, bevor die Teilströme zu einem gleichmäßig beladenen heterogenen Gemisch in einer Brennkammer vermischt und über eine Flammenreaktion im Temperaturbereich zwischen 750°C und 1100°C, aber nicht über der Erweichungstemperatur der Brennstoffasche, zur chemischen Reaktion gebracht werden und die Reaktionstemperatur durch die Zugabe des Vergasungsmittels und dessen Beladung mit Wasserdampf und/oder Kohlendioxid geregelt und unterhalb der Ascheerweichung eingestellt wird.Process for producing fuel and synthesis gas from fuel dust produced from coal or fuels produced by hydrothermal carbonation or other means from biomass or organic wastes by partial oxidation with air, technical oxygen, water vapor and carbon dioxide or mixtures thereof in a flame reaction , characterized in that at least 25% of the required for the complete combustion of the fuel dust molecular gas as gasification in at least two partial streams with admixture of water vapor and / or carbon dioxide of the chemical reaction with fuel dust are fed to Gasgasungsrohgas, wherein at least a partial stream is loaded with fuel dust before the substreams mixed into a uniformly loaded heterogeneous mixture in a combustion chamber and via a flame reaction in the temperature range between 750 ° C and 1100 ° C, but not above the softening temperature of the fuel ash, to the chemis chen reaction and the reaction temperature is controlled by the addition of the gasification agent and its loading with water vapor and / or carbon dioxide and adjusted below the ash softening.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Syntheserohgas aus Brennstaub, der aus Kohle und Brennstoffen, die über hydrothermale Karbonisierung aus Biomassen, wie Holz, Stroh, Laub, Grünschnitt u. a. oder organischen Abfällen hergestellt wurden.The invention relates to a process for the production of fuel and synthesis gas from fuel dust from coal and fuels, the hydrothermal carbonation of biomass, such as wood, straw, leaves, green waste u. a. or organic waste.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist vorzugsweise die dezentrale Strom- und Wärmeversorgung auf Basis von Kohle, auch solcher, die über hydrothermale Karbonisierung aus Biomasse und organischen Abfällen gewonnen wurde.The field of application of the invention is preferably the decentralized electricity and heat supply based on coal, even those obtained by hydrothermal carbonization from biomass and organic waste.

Die Umwandlung der chemisch gebundenen Energie der Kohle in Verbrennungsgas oder Brenn- und Syntheserohgas, als Sekundärenergieträger, erfolgt beim Stand der Technik durch Oxidation der Kohle mit Luft, Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid oder daraus hergestellten Gemischen.The conversion of the chemically bound energy of the coal in combustion gas or fuel and synthesis gas, as a secondary energy carrier, takes place in the prior art by oxidation of the coal with air, oxygen, water vapor, carbon dioxide or mixtures thereof.

Die Befeuerung von Dampfkesseln mit Kohle, insbesondere mit Brennstaub aus Kohle, ist weltweit die verbreitetste Methode der Energieumwandlung. Bezogen auf den theoretischen Mindestluftbedarf für die vollständige Verbrennung wird dabei der Brennstaub ein- oder mehrstufig mit Luftüberschuss in ein Verbrennungsgas mit hoher Temperatur, das möglichst wenig Unverbranntes enthält, umgewandelt. Dabei wird die Temperatur des Verbrennungsgases und der Brennstoffasche bzw. -schlacke vorrangig durch Regelung des Luftüberschusses eingestellt. Die chemische Energie der Brennstoffe wird möglichst vollständig in fühlbare und latente Wärme (Verdampfungswärme des Brennstoffwassers) umgewandelt, die zum größten Teil durch indirekte Wärmeübertragung an ein Arbeitsmittel, meist Wasser, übertragen wird, das in flüssiger Form für die Wärme- und Warmwassererzeugung und als Dampf vorzugsweise als Arbeitsmittel in Dampfturbinenanlagen zur Bereitstellung von technischer Arbeit, z. B. für die Stromerzeugung in Kraftwerken, eingesetzt wird.The firing of steam boilers with coal, especially with coal fuel dust, is the most widely used method of energy conversion worldwide. Based on the theoretical minimum air requirement for complete combustion of the fuel dust is one or more stages with excess air in a combustion gas at high temperature, which contains as little as possible unburned converted. The temperature of the combustion gas and the fuel ash or slag is primarily adjusted by controlling the excess air. The chemical energy of the fuels is converted as fully as possible into sensible and latent heat (heat of vaporization of the fuel water), which is transferred for the most part by indirect heat transfer to a working medium, usually water, in liquid form for heating and hot water production and as steam preferably as a working medium in steam turbine plants for the provision of technical work, eg. B. for power generation in power plants, is used.

Bedingt durch die Stoffwerte des Arbeitsmittels können aus solchen Kraftprozessen selbst bei grollen, thermodynamisch optimierten Dampfkraftwerken für Braunkohle mit einer Brennstoffwärmeleistung von über 1000 MW nur weniger als 45% der zugeführten Brennstoffenergie in Form von Elektroenergie gewonnen werden. Bedingt ist das durch die mittlere Temperatur des Kraftprozesses. Insbesondere kleinere Anlagen, mit einer Brennstoffwärmeleistung von unter 50 MW und Dampfturbinen, erreichen oft nur elektrische Umwandlungswirkungsgrade von weniger als 30%. Bei Verwendung von Biomasse oder Abfällen als Brennstoff in sogenannten ORC-Prozessen werden Wirkungsgrade von nur ca. 15% errreicht. Praktisch hat das zur Folge, dass sich bei den kleinen Anlagen der dezentralen Energieversorgung Heizöl und Erdgas gegen Kohle durchgesetzt und Motorkraftwerke mit diesen Brennstoffen einen hohen Marktanteil erworben haben, mit denen elektrische Wirkungsgrade von mehr als 40% auch bei kleinen Leistungen erreicht werden können.Due to the physical properties of the working fluid, even in grim, thermodynamically optimized steam power plants for lignite with a fuel heat output of more than 1000 MW, only less than 45% of the supplied fuel energy can be obtained in the form of electrical energy from such force processes. This is due to the average temperature of the power process. In particular, smaller plants, with a fuel heat output of less than 50 MW and steam turbines, often achieve only electrical conversion efficiencies of less than 30%. When using biomass or waste as fuel in so-called ORC processes, efficiencies of only about 15% are achieved. In practice, this has led to low fuel and natural gas to coal in small decentralized power plants, and motor power plants with these fuels have acquired a high market share, with which electrical efficiencies of more than 40% can be achieved even at low power levels.

Die aschearmen bzw. aschefreien Brennstoffe Heizöl und Erdgas ermöglichen auch die Kombination von Kreisprozessen mit unterschiedlichem mittleren Temperaturniveau. Deshalb wurde vielfach vorgeschlagen und realisiert, dem Dampfkraftprozess einen bei einer höheren mittleren Temperatur arbeitenden Gasturbinenprozess vorzuschalten. Durch diese Hintereinanderschaltung, wie bei Gas-Dampf-Kraftwerken, werden bei großen Kraftwerksleistungen der zentralen Energieversorgung elektrische Wirkungsgrade größer 60% erreicht.The low-ash or ashless fuels fuel oil and natural gas also allow the combination of cycles with different average temperature level. Therefore, it has been proposed and implemented in many cases to precede the steam power process with a gas turbine process operating at a higher average temperature. Through this series connection, as in gas-steam power plants, electrical efficiencies greater than 60% are achieved at large power plant outputs of the central power supply.

Die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit der dezentralen Motorkraftwerke mit elektrischen Wirkungsgraden von 40% ergibt sich demgegenüber hauptsächlich aus der Vermeidung von Verlusten der Umformung des Stromes und der Fortleitung über verschiedene Spannungsebenen aus zentralen Großkraftwerken, also aus der dezentralen Anwendung.In contrast, the economic competitiveness of decentralized motor power plants with electrical efficiencies of 40% results mainly from the avoidance of losses of the transformation of the current and the conduction via different voltage levels from central large power plants, ie from the decentralized application.

Die thermodynamischen Vorteile der Anwendung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen gegenüber Kohle führten zur Entwicklung von speziellen Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus festen Brennstoffen, wie Kohle und festen Biomassen, durch partielle Oxidation der Brennstoffe (Vergasung) mit Luft, Wasserdampf und Kohlendioxid oder daraus hergestellten Gemischen als Vergasungsmittel. Bei der Vergasung wird nur ein Teil der Brennstoffwärme in fühlbare Wärme des Brenngases umgewandelt. Der größte Teil der Brennstoffwärme bleibt als chemische Energie des Brenngases, also als dessen Brenn- bzw. der Heizwert, erhalten.The thermodynamic benefits of using liquid and gaseous fuels over coal have led to the development of specific processes for producing fuel gases from solid fuels, such as coal and solid biomass, by partial oxidation of the fuels (gasification) with air, water vapor and carbon dioxide or mixtures thereof as a gasifying agent. In gasification, only part of the fuel heat is converted into sensible heat of the fuel gas. The majority of the fuel heat remains as the chemical energy of the fuel gas, ie as its fuel or the calorific value obtained.

Die Technologien der Kohlevergasung lassen sich in 3 Kategorien einteilen, nämlich die Festbett-, Wirbelschicht- und Flugstromvergasung, die auch unter Druck betrieben werden können. Aus diesen Technologien ergeben sich Anforderungen an die Brennstoffe auch in Bezug auf Feuerstandsfestigkeit, Stückigkeit, Körnung und Aufmahlung.The technologies of coal gasification can be divided into 3 categories, namely the fixed-bed, fluidized bed and entrainment gasification, which can also be operated under pressure. From these technologies arise fuel requirements also in terms of refractoriness, lumpiness, grain and grinding.

Obwohl die Festbettvergasung die niedrigste Raum-Zeitausbeute erreicht, wird auch nach mehr als 150 Jahren noch versucht, sie für die Brenngaserzeugung aus Kohle und, neuerdings wieder verstärkt, stückiger Biomasse weiter zu entwickeln und zu ertüchtigen. Variiert wird vor allem die Strömung des Vergasungsmittels durch die Brennstoffschüttung. Dementsprechend wird in Gegen-, Gleich- und Querstromvergasung und Doppelfeuertechnologie unterschieden. Bei allen diesen Varianten bilden sich Schwelzonen in der Brennstoffschüttung aus, in deren Folge das heiße Brenngas neben Asche auch mit Teer belastet ist, was vor der Verwendung des Gases in Verbrennungsmotoren und Kompressoren Maßnahmen zur Gasreinigung erfordert, die wiederum die Zeitverfügbarkeit und damit die Wirtschaftlichkeit negativ beeinflussen.Although fixed-bed gasification achieves the lowest space-time yield, even after more than 150 years, it is still being attempted to further develop and strengthen it for the production of fuel gas from coal and, increasingly, again, lumpy biomass. Above all, the flow of the gasification agent through the fuel bed is varied. Accordingly, a distinction is made in counter, DC and cross flow gasification and double fire technology. In all these variants Schwelzonen form in the fuel bed, in the consequence of which the hot fuel gas is also loaded with tar in addition to ash, which requires measures for gas purification before the use of the gas in internal combustion engines and compressors, which in turn adversely affect the availability of time and thus the economy.

Aus diesen Gründen können Motorkraftwerke mit vorgeschalteten Festbettvergasungsanlagen für Kohle und Biomasse auch derzeit keinen signifikanten Beitrag zur dezentralen und regenerativen Stromversorgung leisten.For these reasons, motor power plants with upstream fixed-bed gasification plants for coal and biomass can currently also make no significant contribution to decentralized and regenerative electricity supply.

Die Entwicklung der Ammoniak-, Methanol- und Fischer-Tropsch-Synthesen erforderte die Bereitstellung von Synthesegas mit großer Leistung. Das führte vor 80 Jahren in Deutschland zur Entwicklung der Wirbelschichtvergasung nach Winkler. Auch hier zeigte sich, dass beim direkten Einsatz von Kohle, Torf und Biomasse teerhaltige Gase entstehen. Zurückzuführen ist das auf die Entgasung im Brennstoffkorn während der Brennstoffaufwärmung.The development of the ammonia, methanol and Fischer-Tropsch syntheses required the provision of high performance synthesis gas. This led to the development of fluidized bed gasification in Winkler 80 years ago in Germany. Here, too, it became apparent that the direct use of coal, peat and biomass produces tar-containing gases. This is due to the degassing in the fuel grain during the fuel warm-up.

Obwohl bekannt ist, dass durch Zugabe von Wasserdampf zur Vergasungsluft oder dem Sauerstoff der endotherme Anteil am Brennstoffumsatz und damit die die Brennstofftemperatur und das Sinterverhalten der Brennstoffasche beeinflusst werden können, darf bei der Wirbelschichtvergasung die Prozesstemperatur wegen der ungenügenden Homogenität des Brennstoff-Vergasungsmittel-Gemisches selbst bei hoher Ascheerweichungstemperatur im praktischen Betrieb 850°C dauerhaft nicht überschreiten, da wegen nicht möglicher perfekter homogener Vermischung des Brennstoffes mit dem Vergasungsmittel eine lokale Erweichung der Brennstoffasche, insbesondere in der Anströmzone, auftreten kann Die Herstellung von teerfreiem Gas in der Wirbelschicht gelang nur, indem der Prozessschritt Entgasung vom Prozessschritt Vergasung abgekoppelt wurde und die Brennstoffe vor ihrem Einsatz, z. B. durch Schwelung, entgast wurden.Although it is known that the addition of water vapor to the gasification air or oxygen, the endothermic content of fuel turnover and thus the fuel temperature and the sintering behavior of the fuel ash can be influenced in the fluidized bed gasification, the process temperature due to the insufficient homogeneity of the fuel-gas mixture itself at high ash softening temperature in practical operation 850 ° C durably not exceed, because of not possible perfect homogeneous mixing of the fuel with the gasification a local softening of the fuel ash, especially in the Anströmzone, can occur The production of tar-free gas in the fluidized bed succeeded only by the process step degassing was decoupled from the process step gasification and the fuels before their use, for. B. by carbonization, were degassed.

Darüber hinaus erreichte die Wirbelschichtvergasung keinen vollständigen Kohlenstoffumsatz, und der externe Hilfsenergiebedarf für die Fluidisierung der Brennstoffe ist hoch.In addition, fluidized bed gasification did not achieve full carbon conversion and the external auxiliary energy requirement for fluidization of the fuels is high.

Beides muss als Ursache dafür angesehen werden, dass auch die Wirbelschichtvergasungsverfahren, gleichgültig, ob mit stationärem oder zirkulierendem Brennstoffbett, sich für die Erzeugung von Brenngas für die Stromerzeugung nicht durchsetzen konnten.Both have to be considered as the reason that also the fluidized bed gasification processes, whether with stationary or circulating fuel bed, could not prevail for the production of fuel gas for the power generation.

Die Schlussfolgerung daraus war die Entwicklung der Fugstromvergasung von fein aufgemahlenem Kohlebrennstaub in einer Flammenreaktion, abgeleitet aus der Verbrennung von Brennstaub oberhalb der Ascheschmelztemperatur mit Flüssigschlackeabzug. Gegenüber der Verbrennung ist dies praktisch eine Fahrweise mit Sauerstoffsunterschuss, bei der Brennstaub und Vergasungsmittel weitgehend homogen vermischt werden.The conclusion was the evolution of FG gasification of finely ground coal dust in a flame reaction derived from the combustion of fuel dust above the ash melting temperature with liquid slag vent. Compared to the combustion, this is practically a driving mode with oxygen deficiency, are mixed in the fuel dust and gasification largely homogeneous.

Wegen der Gefahr der Verschlackung der dafür verwendeten Vorrichtungen arbeiten die bekannten Flugstromvergasungsverfahren, wie Schmelzkammerfeuerungen, grundsätzlich oberhalb der Schmelztemperatur der Brennstoffasche. Die dabei entstehende flüssige Schlacke wird durch Quenchen mit Wasser oder kaltem Kreislaufgas in eluierfestes Schlackegranulat umgewandelt. Das Ziel, die Produktion von teerfreiem Gas, wird mit der Flugstromvergasung somit erreicht.Because of the risk of slagging of the devices used for this purpose, the known entrained-flow gasification processes, such as melting chamber furnaces, generally operate above the melting temperature of the fuel ash. The resulting liquid slag is converted by quenching with water or cold recycle gas in eluierfestes slag granules. The goal, the production of tar-free gas, is thus achieved with the flow gasification.

Die hohen Prozesstemperaturen von 1200 bis 1700°C bei der Flugstromvergasung haben zur Folge, dass bis 30% des Brennwertes der festen Brennstoffe in fühlbare Wärme der Brenn- oder Synthesegase umgewandelt werden, so dass manchmal nur 70% der Brennstoffwärme (Kaltgaswirkungsgrad) für die Verstromung in den nachgeschalteten Gasturbinen und Verbrennungsmotoren zur Verfügung stehen. Das ist der entscheidende Nachteil des Standes der Technik der Flugstromvergasung.The high process temperatures of 1200 to 1700 ° C at the entrainment gasification have the result that up to 30% of the calorific value of solid fuels are converted into sensible heat of the fuel or synthesis gas, so sometimes only 70% of the fuel heat (cold gas efficiency) for power generation be available in the downstream gas turbines and internal combustion engines. This is the major disadvantage of the prior art entrainment gasification.

Bekannt sind auch Verfahren, wie das Thermo-Select-Verfahren, das Schwel-Brenn-Verfahren von Siemens-KWU und das Nöll-Konversions-Verfahren, die der Verbrennung oder Vergasung eine Pyrolyse vorschalten und aus solchen Brennstoffen wie organische Abfälle und Biomasse neben Schwelgas auch Kohlenstoff produzieren, der vor seiner weiteren Umwandlung zu Brennstaub aufgemahlen wird.Also known are processes such as the Thermo-Select process, the Schwel-Brenn process of Siemens-KWU and the Nöll conversion process, which precedes the combustion or gasification pyrolysis and from such fuels as organic waste and biomass in addition to carbonization also produce carbon, which is ground to be combustible before being further converted.

Alle diese Erfahrungen sind in das Carbo-V-Verfahren der CHOREN Industries GmbH (www.choren.com) eingeflossen, das speziell für die Vergasung von Abfall und Biomasse entwickelt wurde. Dieses Verfahren arbeitet dreistufig. In der ersten Stufe, der Niedertemperaturvergasung, wird getrocknete Biomasse durch partielle Oxidation zwischen 300 und 800°C in Schwelgas und Koks zerlegt. In der zweiten Stufe wird das teerhaltige Schwelgas bei Temperaturen oberhalb der Ascheschmelztemperatur und Restkoks aus der dritten Stufe weiter zu Vergasungsrohgas, das dabei Temperaturen von 1200 bis 1600°C erreicht, oxidiert. In der dritten Stufe wird in dieses heiße, wasserdampf- und kohlendioxidhaltige Vergasungsrohgas Koks aus der ersten Stufe eingeblasen, der dort chemisch endotherm reagiert und so das teerfreie Gas bis auf 800°C abkühlt. Das Vergasungsrohgas wird hier, auch unter Überführung der flüssigen Schlacke in festes Granulat, nicht durch Wassereindüsung oder Kaltgasrückführung physikalisch, sondern durch endotherme chemische Reaktionen gequencht.All of this experience has been incorporated into the Carbo-V process of CHOREN Industries GmbH (www.choren.com), which has been specially developed for the gasification of waste and biomass. This procedure works in three stages. In the first stage, the low-temperature gasification, dried biomass is decomposed by partial oxidation between 300 and 800 ° C in carbonization gas and coke. In the second stage, the tarry carbonization at temperatures above the ash melting temperature and residual coke from the third stage is further oxidized to gasification gas gas, which thereby reaches temperatures of 1200 to 1600 ° C. In the third stage, coke from the first stage is blown into this hot, steam-containing and carbon dioxide-containing gasification raw gas, which reacts chemically endothermically there and thus cools the tar-free gas up to 800.degree. The gasification raw gas is here, even under transfer of the liquid slag into solid granules, not quenched by water injection or cold gas return physically, but by endothermic chemical reactions.

Die für alle bekannten Verfahren der Flugstromvergasung durch Quenchen übliche Umwandlung von flüssiger Schlacke in eluierfestes Granulat hat zur Folge, dass bei der Vergasung von Biomasse in der Brennstoffasche enthaltene Bodennährstoffe, wie Phosphor, der weiteren Nutzung entzogen werden. The usual process of entrained flow gasification by quenching the conversion of liquid slag into eluierfestes granules has the consequence that contained in the gasification of biomass in the fuel ash soil nutrients, such as phosphorus, be withdrawn from further use.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Umwandlung von Brennstaub aus Kohle oder kohleähnlichen Brennstoffen aus Biomasse und organischen Abfällen in für Verbrennungsmotoren, Gasturbinen und Kompressoren oder für chemische Synthesen geeignete teerfreie Brenn- oder Syntheserohgase bei hohem Kohlenstoffumsatz und chemischem Umwandlungswirkungsgrad, niedrigem Aufwand an Hilfsenergie sowie Erhalt der in der Brennstoffasche befindlichen Bodennährstoffe.The object of the invention is the conversion of fuel dust from coal or coal-like fuels from biomass and organic wastes into tar-free fuel or synthesis gases suitable for internal combustion engines, gas turbines and compressors with high carbon conversion and chemical conversion efficiency, low auxiliary energy consumption and conservation the soil nutrients in the fuel ash.

Damit besteht die technische Aufgabe der Erfindung darin, solche Brennstäube bei hohem Kohlenstoffumsatz bei gegenüber dem Stand der Technik der Flugstromvergasung niedrigerer Temperatur in ein praktisch teerfreies Brenn- oder Synthesegas umzuwandeln, das beim Stand der Technik der Flugstromvergasung übliche Aufschmelzen der Brennstoffasche und deren Umwandlung in ein eluierfestes Granulat zu vermeiden, die Nutzung von Nährstoffen der Brennstoffasche zu ermöglichen und den Anteil der fühlbaren Wärme im Zuge der Vergasung zu minimieren.Thus, the technical object of the invention is to convert such fuel dusts at high carbon conversion in comparison to the prior art of entrained flow gasification lower temperature in a virtually tar-free fuel or synthesis gas, which in the prior art of entrainment conventional reflow of the fuel ash and their conversion into a to avoid elutriated granules, to allow the use of nutrients of the fuel ash and to minimize the amount of sensible heat in the course of gasification.

Die technische Aufgabe wird gelöst, indem die verfahrenstechnischen Voraussetzungen für eine annähernd vollständige partielle Oxidation der bei der Brennstofferhitzung entstehenden Entgasungsprodukte und des festen Kohlenstoffes geschaffen werden.The technical problem is solved by providing the procedural prerequisites for an almost complete partial oxidation of the degassing products formed during the fuel heating and of the solid carbon.

Erfindungsgemäß wird das erreicht, indem mindestens 25% des für die vollständige Verbrennung des Brennstaubes erforderlichen molekularen Sauerstoffs in Form von Luft oder technischem Sauerstoff in mindestens zwei Teilströmen als Vergasungsmittel unter Zumischung von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid der chemischen Reaktion mit dem Brennstaub zu Vergasungsrohgas zugeführt werden, wobei mindestens ein Teilstrom mit Brennstaub beladen wird und der pneumatischen Förderung des Brennstaubes dient, bevor die Teilströme zu einem gleichmäßig beladenen heterogenen Gemisch in einer Brennkammer vermischt und oberhalb ihrer Zündtemperatur im Temperaturbereich vorzugsweise zwischen 750°C und 1100°C, aber nicht über der Erweichungstemperatur der Brennstoffasche, zur chemischen Reaktion gebracht werden, und die Reaktionstemperatur durch die Zugabe von Vergasungsmittel und dessen Beladung mit Wasserdampf und/oder Kohlendioxid geregelt und unterhalb der Ascheerweichung eingestellt wird.According to the invention this is achieved by at least 25% of the required for the complete combustion of the fuel dust molecular oxygen in the form of air or technical oxygen in at least two streams as gasification with admixture of water vapor and / or carbon dioxide of the chemical reaction with the fuel dust are fed to Gasgasungsrohgas , wherein at least a partial stream is loaded with fuel dust and the pneumatic conveying of the fuel dust is used before the partial streams mixed to a uniformly loaded heterogeneous mixture in a combustion chamber and above its ignition temperature in the temperature range preferably between 750 ° C and 1100 ° C, but not above Softening temperature of the fuel ash, are brought to the chemical reaction, and the reaction temperature by the addition of gasification agent and its loading with water vapor and / or carbon dioxide regulated and adjusted below the ash softening.

Es ist weiterhin erfindungsgemäß, dass der den Brennstaub transportierende Teil des Vergasungsmittels vor der Zusammenführung mit den anderen Teilströmen des Vergasungsmittels vor der Brennkammer durch partielle Oxidation über die Zündtemperatur des Brennstaubes erhitzt und einer Flashpyrolyse unterzogen wird.It is also according to the invention that the part of the gasifying agent transporting the fuel dust is heated by partial oxidation above the ignition temperature of the combustible dust and subjected to flash pyrolysis before being combined with the other partial streams of the gasifying agent.

Für die Realisierung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Brennkammer von einem Doppelmantel umschlossen wird, der von mindestens einem Vergasungsmittelteilstrom durchströmt wird oder mit Kesselspeisewasser gefüllt ist und mit der Brennkammer einen Kanal bildet, über den im Gegenstrom zur Gasströmung in der Brennkammer das Vergasungsrohgas aus der Vorrichtung abgeführt wird.For the realization of the method, a device is proposed according to the invention, in which the combustion chamber is enclosed by a double jacket, which is flowed through by at least one Vergasungsmittelteilstrom or filled with boiler feed water and with the combustion chamber forms a channel through which in countercurrent to the gas flow in the combustion chamber the gasification raw gas is discharged from the device.

Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine gasdichte Feuerung eines Dampfkessels des Standes der Technik, z. B. ein Flammrohr, die in eine erfindungsgemäße Brennkammer, mit oder ohne Feuerfestzustellung, intgriert ist, wobei das in der Brennkammer entstehende heiße Vergasungsrohgas umgelenkt wird und die Außenflächen der Brennkammer umspült, bevor es dem Feuerraum oder Heizzügen des Dampfkessels zugeführt und dort gekühlt wird.Another device according to the invention is characterized by a gas-tight firing of a steam boiler of the prior art, for. Example, a flame tube, which is intgriert in a combustion chamber according to the invention, with or without Feuerfestzustellung, wherein the hot gas Vergasungsrohgas formed in the combustion chamber is deflected and the outer surfaces of the combustion chamber flows around before it is fed to the combustion chamber or heating of the boiler and cooled there.

Der wirtschaftliche Vorteil der Erfindung liegt in der Vermeidung des Aufschmelzens der Brennstoffasche bei der Umwandlung von Brennstaub in Brenn- und Synthesegas und damit im Erhalt der Bodennährstoffe bei der Verwendung von aus Biomasse hergestellter Kohle sowie der Anhebung des Kaltgaswirkungsgrades um bis zu 10%-Punkte gegenüber dem Stand der Brennstaubvergasung, aber auch in der verfahrenstechnischen und apparativen Vereinfachung des Standes der Technik durch Vermeidung der mehrstufigen Umwandlung, insbesondere der Prozessstufe Quenchen.The economic advantage of the invention lies in the prevention of the melting of the fuel ash in the conversion of fuel dust in fuel and synthesis gas and thus in the preservation of soil nutrients in the use of coal produced from biomass and the increase of the cold gas efficiency by up to 10% points the state of the Brennstaubvergasung, but also in the procedural and apparatus simplification of the prior art by avoiding the multi-stage conversion, in particular the process stage quenching.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird mit Hilfe von 1 und einer rechnerischen Abschätzung mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel beschrieben.The invention is with the help of 1 and a computational estimate with the following embodiment.

Für die Umwandlung zu Brenngas soll Brennstaub mit folgender Zusammensetzung in kg/kg zur Verfügung stehen: Kohlenstoff: 0,545 Wasserstoff: 0,062 Sauerstoff: 0,260 Stickstoff: 0,003 Asche: 0,050 Wasser: 0,080 Heizwert: 6,2 kWh/kg Ascheerweichungstemperatur in reduzierender Atmosphäre: 1050°C. Mindestluftbedarf für die vollständige Verbrennung: 5,62 m3/kg. For conversion to fuel gas, combustible dust with the following composition in kg / kg shall be available: Carbon: 0.545 Hydrogen: 0.062 Oxygen: 0.260 Nitrogen: 0,003 Ash: 0,050 Water: 0,080 Calorific value: 6.2 kWh / kg Ash softening temperature in a reducing atmosphere: 1050 ° C. Minimum air requirement for complete combustion: 5.62 m 3 / kg.

Dieser Brennstaub soll bei einer Reaktionstemperatur von 900°C durch Vergasung (partielle Oxidation) mit einem Luft-Wasserdampf-Gemisch ohne Verschlackung der Asche in Brenngas umgewandelt werden, das mit 600°C über die Gasableitung 7 das erfindungsgemäße Verfahren verlässt und einer Abwärmenutzung zugeführt wird.This combustible dust is to be converted at a reaction temperature of 900 ° C by gasification (partial oxidation) with an air-water vapor mixture without slagging of the ash in fuel gas, with 600 ° C via the gas discharge 7 the process of the invention leaves and is fed to a waste heat recovery.

Zu diesem Zwecke wird ein Teilstrom der für die Vergasung erforderlichen Luft 2 homogen mit Brennstaub 1 vermischt und pneumatisch zum Mehrkanalbrenner 4 transportiert. Der andere Teil der Vergasungsluft 2 wird mit Wasserdampf 3 beladen, auf 500°C rekuperativ vorgewärmt und danach anderen Kanälen des Mehrkanalbrenners 4 zugeführt. Auf diese Art wird über den Mehrkanalbrenner 4 pro kg Brennstaub mit 2,35 kg Luft und 0,180 kg Wasserdampf in der 900°C heißen Brennkammer 6 zur Reaktion gebracht. Die Wärmeverluste der Brennkammer sollen 700 kJ/kg Brennstaub betragen.For this purpose, a partial flow of air required for the gasification 2 homogeneous with fuel dust 1 mixed and pneumatic to multi-channel burner 4 transported. The other part of the gasification air 2 is with water vapor 3 loaded, recuperatively preheated to 500 ° C and then other channels of the multi-channel burner 4 fed. This way is via the multi-channel burner 4 per kg of fuel dust with 2.35 kg of air and 0.180 kg of steam in the 900 ° C hot combustion chamber 6 reacted. The heat losses of the combustion chamber should amount to 700 kJ / kg of combustible dust.

Es entsteht ein Brenngas mit folgender Zusammensetzung in kg/kg: Kohlenmonoxid: 0,320 Kohlendioxid: 0,090 Wasserstoff: 0,015 Wasserdampf: 0,040 Methan: 0,001 Stickstoff. 0,534 Heizwert: 1,425 kWh/kg Brenngas Gasausbeute: 3,36 kg/kg Brennstaub Kaltgaswirkungsgrad: 0;77 The result is a fuel gas with the following composition in kg / kg: Carbon monoxide: 0,320 carbon dioxide: 0,090 Hydrogen: 0,015 Steam: 0,040 Methane: 0.001 Nitrogen. 0.534 Calorific value: 1,425 kWh / kg fuel gas Gas yield: 3.36 kg / kg of fuel dust Cold gas efficiency: 0; 77

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
BrennstaubzuführungPulverized fuel supply
22
Vergasungsmittel (Luft)Gasification agent (air)
33
Wasserdampf/ZumischungSteam / mixing
44
MehrkanalbrennerMulti-channel burner
55
HeißgaskanalHot gas duct
66
Brennkammercombustion chamber
77
Gasableitunggas discharge
88th
Zündbrennerpilot burner
99
Prallabscheiderimpactor
1010
Ascheaustragungash removal
1111
Wassermantelwater jacket

Claims (4)

Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Syntheserohgas aus Brennstaub, der aus Kohle oder Brennstoffen, die über hydrothermale Karbonisierung oder andere Art aus Biomasse oder organischen Abfällen hergestellt wurden, durch partielle Oxidation mit Luft, technischem Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid oder Gemischen davon in einer Flammenreaktion, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 25% des für die vollständige Verbrennung des Brennstaubes erforderlichen molekularem Sauerstoffs als Vergasungsmittel in wenigstens zwei Teilströmen unter Zumischung von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid der chemischen Reaktion mit Brennstaub zu Vergasungsrohgas zugeführt werden, wobei mindestens ein Teilstrom mit Brennstaub beladen wird, bevor die Teilströme zu einem gleichmäßig beladenen heterogenen Gemisch in einer Brennkammer vermischt und über eine Flammenreaktion im Temperaturbereich zwischen 750°C und 1100°C, aber nicht über der Erweichungstemperatur der Brennstoffasche, zur chemischen Reaktion gebracht werden und die Reaktionstemperatur durch die Zugabe des Vergasungsmittels und dessen Beladung mit Wasserdampf und/oder Kohlendioxid geregelt und unterhalb der Ascheerweichung eingestellt wird.Process for producing fuel and synthesis gas from fuel dust produced from coal or fuels produced by hydrothermal carbonation or other means from biomass or organic wastes by partial oxidation with air, technical oxygen, water vapor and carbon dioxide or mixtures thereof in a flame reaction , characterized in that at least 25% of the required for the complete combustion of the fuel dust molecular gas as gasification in at least two partial streams with admixture of water vapor and / or carbon dioxide of the chemical reaction with fuel dust are fed to Gasgasungsrohgas, wherein at least a partial stream is loaded with fuel dust before the substreams mixed into a uniformly loaded heterogeneous mixture in a combustion chamber and via a flame reaction in the temperature range between 750 ° C and 1100 ° C, but not above the softening temperature of the fuel ash, to the chemis chen reaction and the reaction temperature is controlled by the addition of the gasification agent and its loading with water vapor and / or carbon dioxide and adjusted below the ash softening. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Brennstaub transportierende Teil des Vergasungsmittels vor der Zusammenführung mit den anderen Teilströmen des Vergasungsmittels vor der Brennkammer durch partielle Oxidation über die Zündtemperatur des Brennstaubes erhitzt und der Brennstaub einer Flashpyrolyse unterzogen wird.A method according to claim 1, characterized in that the fuel dust transporting part of the gasifying agent is heated prior to merging with the other partial streams of the gasifying agent in front of the combustion chamber by partial oxidation over the ignition temperature of the fuel dust and the fuel dust is subjected to a flash pyrolysis. Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer von einem Doppelmantel, der von Vergasungsmittel durchströmt oder mit Kesselspeisewasser gefüllt ist, umschlossen wird, der mit der Brennkammer einen Kanal bildet, über den im Gegenstrom zur Gasströmung in der Brennkammer das Vergasungsrohgas aus der Vorrichtung abgeführt wird.Device for implementing the method according to claim 1 and 2, characterized in that the combustion chamber by a double jacket, which flows through the gasification agent or filled with boiler feed water is enclosed, which forms a channel with the combustion chamber, via which in countercurrent to the gas flow in the Combustion, the gasification raw gas is discharged from the device. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer in ein Flammrohr eines gasdichten Dampfkessels integriert ist und mit dem Flammrohr einen Kanal bildet, über den im Gegenstrom zur Gasströmung in der Brennkammer Vergasungsrohgas dem Feuerraum oder den Heizzügen des Dampfkessels zugeführt wird.Apparatus according to claim 3, characterized in that the combustion chamber is integrated into a flame tube of a gas-tight steam boiler and with the flame tube forms a channel through which countercurrent to the gas flow in the combustion gas Vergasungsrohgas the furnace or the heating of the boiler is supplied.
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